Интерференция, дифракция и принцип суперпозиции

Помехи имеют место, когда волны взаимодействуют друг с другом, тогда как дифракция имеет место, когда волна проходит через отверстие. Эти взаимодействия регулируются принципом суперпозиции. Интерференция, дифракция и принцип суперпозиции являются важными понятиями для понимания нескольких применений волн.

Когда две волны взаимодействуют, принцип суперпозиции говорит, что в результате волновая функция является суммой двух отдельных волновых функций. Это явление обычно описывается как интерференция.

Рассмотрим случай, когда вода капает в ванну с водой. Если в воду попадет хоть одна капля, она создаст круговую волну по воде. Однако, если вы начнете капать водой в другой точке, это также начать делать подобные волны. В точках, где эти волны перекрываются, результирующая волна будет суммой двух предыдущих волн.

Это справедливо только для ситуаций, когда волновая функция является линейной, то есть где она зависит от Икс и T только к первому мощность. Некоторые ситуации, такие как нелинейное упругое поведение, которое не подчиняется

Это может быть очевидно, но, вероятно, также хорошо, чтобы было ясно, что этот принцип включает волны аналогичного типа. Очевидно, что волны воды не будут мешать электромагнитным волнам. Даже среди волн подобного типа эффект обычно ограничивается волнами практически (или точно) с одинаковой длиной волны. Большинство экспериментов с участием помех гарантируют, что волны идентичны в этих отношениях.

На рисунке справа показаны две волны и под ними, как эти две волны объединены, чтобы показать помехи.

Когда гребни перекрываются, волна суперпозиции достигает максимальной высоты. Эта высота является суммой их амплитуд (или двойной их амплитуды в случае, когда исходные волны имеют одинаковую амплитуду). То же самое происходит, когда впадины перекрываются, создавая результирующую впадину, которая является суммой отрицательных амплитуд. Этот вид вмешательства называется конструктивное вмешательство потому что это увеличивает общую амплитуду. Другой неанимированный пример можно увидеть, нажав на картинку и перейдя ко второму изображению.

С другой стороны, когда гребень волны перекрывается с впадиной другой волны, волны в некоторой степени взаимно компенсируют друг друга. Если волны симметричны (т. Е. Имеют одинаковую волновую функцию, но смещены на фазу или половину длины волны), они полностью компенсируют друг друга. Этот вид вмешательства называется разрушительное вмешательство и может быть просмотрено на рисунке справа или нажатием на это изображение и переход в другое представление.

В более раннем случае ряби в ванне с водой вы могли бы увидеть некоторые моменты, когда интерференционные волны больше, чем каждая из отдельных волн, и некоторые точки, где волны подавляют каждую другой выход.

Особый случай помех известен как дифракция и имеет место, когда волна достигает барьера апертуры или края. На краю препятствия волна отсекается, и это создает интерференционные эффекты с оставшейся частью волновых фронтов. Поскольку почти все оптические явления связаны с прохождением света через какое-либо отверстие - будь то глаз, датчик, телескоп или что-то еще - дифракция имеет место почти во всех из них, хотя в большинстве случаев эффект незначителен. Дифракция, как правило, создает «нечеткий» край, хотя в некоторых случаях (например, эксперимент Юнга с двумя щелями, описанный ниже) дифракция может вызвать интересующие явления самостоятельно.

Интерференция является интригующей концепцией и имеет некоторые последствия, которые стоит отметить, особенно в области света, где такие помехи относительно легко наблюдать.

В Эксперимент Томаса Янга с двумя щелямиНапример, интерференционные картины, возникающие из-за дифракции светового «волнения», позволяют излучать равномерный свет. и разбить его на серию светлых и темных полос, просто отправив его через две щели, что, конечно, не то, что можно было бы ожидать. Еще более удивительным является то, что выполнение этого эксперимента с частицами, такими как электроны, приводит к аналогичным волнообразным свойствам. Любая волна демонстрирует такое поведение при правильной настройке.

Пожалуй, самое захватывающее применение вмешательства заключается в создании голограммы. Это делается путем отражения когерентного источника света, такого как лазер, от объекта на специальную пленку. Интерференционные картины, создаваемые отраженным светом, являются результатом голографического изображения, которое можно просматривать, когда оно снова помещается в правильное освещение.